武钢高炉煤气干线并网运行的研究

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[摘要]阐述了武钢高炉煤气一、二干线管网运行现状，导致高炉煤气干线压力波动的要素分析，提出武钢BFG一、二净并网运行的设想，今后今后高炉煤气合理运行提供依据。

[关键词]高炉煤气；干线并网；压力波动； 分析

Chen Changsong,

(institute of wuhan iron and steel company, wuhan in hubei province 430080)

[to] picked elaborated wisco a blast furnace gas, two main pipe network to run the status quo, result in blast furnace gas mains pressure fluctuation factor analysis, put forward wisco BFG net parallel operation idea of one, two, reasonable operation to provide basis for blast furnace gas in the future in the future.

[key words] blast furnace gas; Main grid; Pressure fluctuation; Analysis of the

中图分类号：TQ542 文献标识码：A 文章编号：

1前言

高炉煤气是高炉炼铁的副产品，高炉是冶金生产中燃料的巨大消费者，高炉燃料的热量约有60%转移到高炉煤气中，高炉每消耗1吨焦炭约可产生3000~4000米3的高炉煤气。充分有效利用高炉煤气，对降低吨钢能耗和节约燃料有重大意义。

高炉煤气余压回收透平发电装置（Top Gas Recovery Turbine 简称TRT）是钢铁企业很有价值的能量回收装置。TRT是一种以高炉煤气为工质的透平膨胀机，它由转子和静叶组成。煤气从转子（动叶）边缘通过叶片流向透平转子中心，再流至透平壳外。由于反向流动，使气体原有的压力能经过不可逆绝热膨胀做功，将压力能转化为动能，驱动透平转子旋转从而带动发电机对外输出电能。

2武钢高炉煤气管网现状

2.1高炉煤气总体发生情况

武汉钢铁集团公司现有7座大型高炉，高炉容积分别为2200m3、1536 m3、1513 m3、2516 m3、3200 m3、3200 m3、3200 m3，高炉正常生产时的煤气发生量、炉顶压力如下表所示：

表1武钢高炉顶压—发生量对应表

合计总煤气发生量为261万m3/h。

2.2 高炉煤气管网目前运行方式

经过各除尘系统后的高炉煤气在经过减压阀组进行减压（或运转TRT）后分别通过01#、02#阀进入高炉煤气的一净、二净干管。其中一净干管压力维持在6～8kPa，主要用户有：高炉的热风炉、焦炉、150t锅炉、青山电厂、煤粉、15万气柜。二净干管高压运行压力保持在22～25kPa,低压运行时压力保持在11~14kPa，主要用户有：焦耐、自备电厂、75T锅炉、130T锅炉、二混、三混、四混、六混、七混。

一、二净干线由1#、4#、5#调节阀连通，目前二净干线压力的稳定是通过一净干线和二净干线联络管上的1#、4#、5#调节蝶阀进行PID控制来完成的。当二净高压干管煤气出现富余时，通过1#、4#、5#自动调节阀，将多余的高炉煤气自动排入低压的一净干管，从而使二净高压煤气干管的压力得到稳定，但使得一净干管的压力波动较大。

图1武钢BFG管网示意图

2.3运行方式存在的问题

2.3.1 BFG分列运行方式的由来

武钢高炉煤气管网之所以按低压一净干管和高压二净干管分列运行，是因为部分用户需求的高炉煤气压力较高，一净干管压力较低不能满足要求，须由煤气加压机来提升干管煤气压力以满足用户需要，而二净干管煤气压力可以满足用户需要，故很多高炉煤气用户（包括一些需要BFG压力较高的用户）都统一接在一根高炉煤气主管（即目前的二净干管）上。此外由于当时高炉煤气余压透平发电在武钢尚未得到广泛应用和推广，仅有3#TRT投运和一座在建的5#TRT，TRT发电量较小，从节能角度来考虑，高炉煤气管网就分低压和高压并列运行。故在上世纪90年代，武钢通过保证二净干线的高压运行率来节省二加压站和三加压站高炉煤气加压机运行所消耗的电能，为武钢生产的节能降耗做出了一定的贡献。

2.3.2分列运行方式存在的问题

①、调节蝶阀影响一净干线压力稳定

高炉煤气一、二净干线压力通过1#、4#、5#调节蝶阀调节不仅使得一净干线压力波动较大，同时由于1#、4#、5#调节蝶阀的流通能力有限，调节系统本身也存在一些问题：如1#、4#阀在开度达到90%时就会由自动调节状态自动切换到手动调节状态，必须由人工来操作阀的动作；另外1#、4#、5#调节蝶阀的控制柜与01#、02#阀的控制柜相距甚远，给操作者带来不便，设备老化也引起调节滞后。

②、分列运行导致TRT发电量减少

随着高炉煤气余压透平发电技术的不断推广，武钢随后建造并投运了5#TRT、2#TRT、1#TRT、4#TRT、6#TRT、7#TRT和8#TRT（预计2009年11月份正式投运），为武钢创造了显著的经济效益，并从多年的实际生产经验中得出这样一个结论：即把高炉煤气投入二净系统和把高炉煤气投入一净系统相比，TRT投一净所发出的电量要比TRT投二净时发出的电量多，且这多出的电量要比投一净时由煤气加压机加压所消耗的电量要多。

导致高炉煤气干线压力波动的要素分析

简言之，高炉煤气干线压力波动是由于产气量波动、用气量波动、调压装置不正常或不匹配引起的，具体分析如下：

3.1高炉煤气发生量的波动

高炉煤气发生量的波动主要是高炉上下料引起的，下面是2#--5#高炉发生量在上下料时波动的幅度，见表一(单位104m3/h)

由上表可知，单座高炉上下料造成发生量的波动是很大的，一旦其中几座高炉波动处于同相（同时减小或增加）累加，对一净干线压力冲击相当大，实际运行中经常出现这种波动，其幅度可达±200 Pa。

3.2高炉热风炉用量波动

高炉热风炉是高炉煤气的最大用户，占高炉煤气发生量的三分之一。热风炉用量波动是由于撤炉、点炉引起的，下面是2#--5#热风炉在点炉撤炉时用量波动幅度，见表二（单位104m3/h）

从上表可清晰看出，单台热风炉用气量在点炉撤炉时波幅很大，当其中几座波动处于同相累加，直接引起一净压力大幅度变化。

当上述两种因素同相累加作用，一净干线压力波动会更大。

上述两种因素是目前高炉生产工艺决定的，它是引起一净干线压力波动最基本的因素。高炉上下料 次/时，热风炉点撤炉次/时，这两种动作均非常快（一分钟内）。高频次易出现同相累加加深波动，快速波动使干线调压装置动作速度跟不上而最终导致低压或高压。1#高炉投运后，这两种因素导致的波动幅度会加大。

3.3其他用户增减量

由于种种原因，电厂、锅炉自行撤出或点燃烧嘴或其他较大用户检修停用煤气引起波动，如下表所示单个烧嘴点火与熄火时量的变化幅度，表三（单位104m3/h）

锅炉增减量动作亦很迅速，非计划性的点燃单个烧嘴在煤气无富余的情况下，很快会将干线压力拉低，若多个烧嘴同时用气，偏离工况值会更远。

由于未知的用户增加用量引起的低压时间一般比较长。

3.4事故或故障状态下，煤气发生量或用气量大幅度波动

在高炉出现故障时煤气发生量锐减，会马上引起一净干线压力偏低；二净干线调压阀故障关时，也会造成一净干线压力偏低；其他用户或调压系统故障一般情况下引起干线压力超高。

3.5煤气平衡失误导致压力大幅度波动

煤气平衡失误主要是指：

已知用户停用或起用煤气但由于缓冲量估计失误

已知用户停用或起用煤气，缓冲用户或被指定配合减量的用户没有按指令减量。

这种情况引起的波动往往时间较长。

武钢BFG一、二净并网运行的设想

通过对武钢目前高炉煤气管网现状的分析，不难看出武钢高炉煤气管网分一、二净干线分列运行已不合时宜。因此建议将目前三加压后的高炉煤气管网与二加压站后的高炉煤气管网贯通起来，统一按一净低压方式运行。此种方式运行将会有以下几个方面的优点：

①、高炉煤气管网贯通并统一压力运行后，将更有利于稳定管网压力，避免了由1#、4#、5#调节阀系统问题而引起的压力波动因素，同时也避免了目前为二净管网上的一部分低压用户提供高压高炉煤气的情况。目前武钢高炉煤气二净干线用户情况见下表：

表2二净干线用户及用量表

②、加压机组后管网贯通可以使得二加压站和三加压站的高炉煤气加压机组可以互为备用，同时也更有利于稳定机后压力。

③、一、二净并网运行将大大提高TRT发电效益。

透平机和发电机轴功率计算公式如下：

透平理论轴功：Wf=CpT1[1-(P2/P1)K-1/K]

发电机输出功率：N=Q/3600p0CpT1[1-(P2/P1)K-1/K]fdηTηG

式中：K——CP/CV绝热指数

Q——煤气流量m3/h

CP——定压比热kJ/kg.K

T1——透平入口温度K

P1、P2——透平入、出口煤气绝对压力MPa

fd——煤气中水汽冷凝所放出的汽化潜热的热量修正系数，一般取1.10~1.13

ηT——透平效率

ηG——发电机效率0.95~0.97

p0——煤气在标准状态下的密度 kg/m3

从TRT发电公式可以看出：TRT发电量与透平煤气入口温度成正比，与透平煤气出口压力成反比。

根据高炉煤气成分，查有关资料计算得出煤气在标准状态下的密度p0=1.365kg/m3，定压比热Cp=1.011kJ/kg.K，绝热指数K=1.369。湿式运行透平效率0.857，fd取1.12（假定从高炉出来的高炉煤气全部流经TRT）

武钢1~5#高炉分别投一净、二净时各TRT的发电量见下表：

表3各TRT发电参数一览表

表4高炉投一、二净时各TRT发电量对照表

从表4可以看出，在实际运行过程中，高炉所发生的煤气并未完全通过透平膨胀作功。其原因有：①蝶阀组不可能严密切断煤气，当TRT运转并参与顶压控制时，有一部分煤气从蝶阀组阀芯环隙泄漏到低压侧。并随使用时间的延长，阀芯与阀体之间的间隙会逐步增大，造成泄漏到低压侧的煤气量增加。②TRT运行炉顶压力依靠调速阀和可变静叶来控制。高炉顶压波动较大时，仅靠调速阀增加开度仍不能满足调节需要，而静叶的动作又滞后，此时，作为补充调节手段的快开阀(TBC)自动开启，使一部分煤气从快开阀旁通到低压侧，以达到稳定高炉顶压的目的。这些未流经透平的煤气减少了发电量。

综合表3和表4可以计算出每万立方米高炉煤气的发电量：

表5 每万立方米高炉煤气发电量计算值

从表5可以看出，每万立方米煤气投一净要比投二净多发电31.2~36.2kWh。

目前，如果二净中压运行，则需要第二煤气加压站转两台S1100-17型号的高炉煤气鼓风机，该型号风机配用电机功率为290kW或开转一台S1100-17的高炉煤气风机和一台配用电机功率为350kW的凸-1100-13型高炉煤气鼓风机；第三煤气加压站转一台S1100-115型号的高炉煤气机组，该型号高炉煤气机组配用的电机型号为YB450M2-2,功率为500kW。高煤机组总耗电1080~1140kWh。

根据表2和表5可以计算出：如果高煤管道统一按一净压力运行，则TRT可多发电2287kWh~2653kWh，TRT发电量要比高煤机组加压机耗电量多1207~1513kWh。

5经济效益

2005年全年武钢各高炉年休风率如下表：

表62005年武钢各高炉年休风率

如果按成本价0.52元/kWh计算，各TRT中修时间30天考虑，则一、二净干线并网运行后各TRT一年可多取得的直接经济效益为：

（1207~1513）kWh×24小时×30天×（12﹣1）月×（1﹣2.21%）×0.52元/kWh﹦486~609万元

由于在正常生产运行时高炉投入二净的煤气量通常远大于二净用户用量733km3/h，故如果高炉煤气管网统一按一净压力运行的话，则一年实际所取得的经济效益还要远大于486~609万元。

6结束语

随着高炉煤气余压透平发电技术的推广，通过调整高炉煤气管网运行方式，不但可以取得TRT发电所带来的直接经济效益，更能稳定高炉煤气管网压力，进一步保证了用户的煤气质量，其间接经济效益是无法估算的。

作者简介：陈长松（1974-），男，工程师

参考文献

1．冶金企业煤气的生产与利用《冶金工业部》(1987.8)

2．陈世鹄《TRT机组容量和高炉煤气有效能》《冶金动力》(1993.3)

3．吕佐周 王光辉《燃气工程》 《冶金工业出版社》（1999）